ZnO基MIS结构器件制备工艺与性能实验设计

咸冯林， 徐林华， 郑改革， 赵立龙， 裴世鑫

（南京信息工程大学物理与光电工程学院，南京 210044）

0 引 言

金属-绝缘体-半导体（MIS）结构是一种常见的半导体光电子器件结构形式，当绝缘层采用氧化物时，也称为金属-氧化物-半导体（MOS）结构，最常见MIS 结构是在硅片上生长一层薄氧化膜后再覆盖一层铝，形成Al／SiO2／Si MIS结构。60 年代以来，MIS 结构在超大规模集成电路和光电子器件的发展中起着十分重要的作用。随着第三代宽禁带半导体材料的发展，GaN、ZnO、SiC、Ga2O3基MIS结构光电子器件发展迅速［1-4］，在晶体管［5］、光电探测［6-8］、激光器［9-10］、传感器［11］等领域具有广泛的应用。本文将科学前沿及创新性研究成果引入实验教学［12］，设计了一种MIS结构半导体器件工艺的综合性实验，通过“材料合成-器件制备-性能测试”的运作模式，整个实验过程包含结构特点、镀膜技术、紫外曝光、ICP 刻蚀、电极制备等先进制备工艺以及材料光学性能、刻蚀表面形貌、器件电学性能的测试与分析。

实验利用MOCVD系统在蓝宝石衬底上通过两步法外延生长半导体薄膜，采用ATC2400-V型磁控溅射系统沉积MgO绝缘层；MA6 型紫外曝光系统在薄膜表面制备掩模版；ICP 刻蚀系统，以氢气、甲烷和氯气为刻蚀气体刻蚀薄膜；电子束蒸发系统沉积电极。整个实验过程包含材料合成、器件制备和器件性能测试3个环节。

1 实验设计

1.1 材料制备

1.1.1 ZnO／ZnMgO多量子阱／ZnO结构

采用金属有机化学气相沉积法（MOCVD）在C面的蓝宝石衬底上制备ZnO 层和ZnO／ZnMgO 多量子阱结构，ZnO／ZnMgO多量子阱可以有效抑制缺陷发光和非辐射复合，增强电子跃迁光吸收效应［13-14］。制备过程中采用两步生长法，首先在低温下生长缓冲层，用来减小蓝宝石衬底与ZnO之间的晶格矢配问题；后采用高温外延的方法制备未掺杂的ZnO。实验过程中采用二甲基锌（DMZn）作为锌源，叔丁醇和N2O分别为低温缓冲层和高温ZnO外延生长的氧源，采用氮气作为载气和缓冲气体。低温缓冲层生长温度为450 ℃，缓冲层厚度为400 nm，高温外延的温度为900 ℃。生长过程主要包括低温下ZnO在蓝宝石衬底上成核生长、原位高温处理的缓冲层表面熟化以及高温的二维外延生长过程。生长室的压力为16 kPa。所制备的未掺杂ZnO薄膜的总厚度为3 μm。随后，在800 ℃下在未掺杂ZnO薄膜上制备了ZnMgO／ZnO多量子阱结构，其中Mg 含量为7%，量子阱由10 对ZnMgO／ZnO 所组成，ZnO 阱厚度为3 nm，ZnO／ZnMgO垒厚度为5 nm（见图1）。

图1 样品结构图及紫外曝光掩模版（μm）

1.1.2 MgO绝缘层

MgO的带隙宽度约为7.8 eV，是一种良好的绝缘材料［13，15］。实验采用ATC2400-V型磁控溅射系统，溅射腔初始真空度为13 μPa，溅射气氛采用氩气和氧气，氩气与氧气的流量比例为1 ∶1，流量均为10 mL／min。溅射功率为500 W，靶材采用高纯的MgO 靶材。沉积前，先将ZnO／ZnMgO 多量子阱／ZnO／蓝宝石衬底用丙酮、酒精和去离子水分别超声清洗10 min，溅射温度分别为300、400 和500 ℃。溅射时间为2 h，所制备的MgO的厚度约为50 nm。

1.2 器件制备

1.2.1 紫外曝光制备掩模板

采用MA6 型紫外曝光系统，光源采用高压汞灯，曝光模式采用硬接触式，曝光时间为12 s，曝光流程如图2（a）～（e）所示。首先在样品表面旋涂一层光刻胶，光刻胶采用AZ1512 型正光刻胶，在光刻胶旋涂之前，旋涂一层HDMS增强光刻胶与基片的黏附性。光刻胶和HDMS的旋涂速度均为3 000 r／min，旋涂时间为30 s。旋涂完后在85 ℃的加热板上烘烤90 s后冷却。最终旋涂的光刻胶总厚度约为1.2 μm。然后进行紫外曝光，曝光用的掩模板如图1（b）所示，尺寸为350 μm×350 μm。曝光光源采用高压汞灯，曝光模式采用硬接触式，曝光时间为12 s。曝光结束后将样品放入丙酮中显影以去除被曝光部分的光刻胶，最终获得的曝光后的样品表面光学显微镜图像如图2（f）所示。由图可见，曝光样品的轮廓清晰，边缘平整。

图2 紫外曝光制备刻蚀模板流程图与曝光后样品表面光学显微镜图像

1.2.2 ICP刻蚀

影响ICP刻蚀系统的主要因素有ICP功率、RF功率、刻蚀腔内压强、刻蚀温度、刻蚀气体流量以及刻蚀时间等［16-17］。RF 功率主要控制离子撞击样品的速率，RF功率越大，刻蚀速度越快；ICP 功率主要控制刻蚀离子的浓度，ICP功率越大，单位时间撞击样品表面的离子数越多；同时刻蚀腔内压强、温度、气体流量等也对刻蚀速率及表面形貌有很大的影响。图3 所示为ICP刻蚀流程图。本实验中采用的刻蚀气体为甲烷（CH4）、氢气（H2）和氩气（Ar），为了得到光滑的刻蚀表面，实验优化了RF功率和气体流量，在ICP功率为500 W，甲烷、氢气和氩气的流量为5，10 和8 mL／min。刻蚀腔内压强为0.13 Pa，刻蚀温度为20 ℃的条件下刻蚀的样品表面最为光滑，在此条件下的刻蚀速率为40 nm／min。

图3 ICP刻蚀流程

样品的刻蚀时间为20 min，刻蚀厚度约为800 nm。刻蚀完成后，将样品放入丙酮中超声清洗10 min去除表面残余的光刻胶。最终刻蚀的样品表面和截面的扫描电子显微镜图像如图4 所示。由图可见，刻蚀的ZnO表面较光滑，刻蚀边缘平整。

图4 ICP刻蚀后样品的扫描电子显微镜图像

1.2.3 电极制备

电极的制备流程如图5（a）～（g）所示，主要包括紫外曝光制备掩模板、电子束蒸发沉积电极和显影去除多余的薄膜和光刻胶。紫外曝光过程和前文中的紫外曝光流程相似，其中用到的掩模版如图1（c）所示。

实验采用电子束蒸发法沉积电极，靶材为高纯的Au靶材和Ti靶材，沉积初始真空度为0.8 mPa，沉积过程在室温下进行，在沉积Au电极前，先沉积一层Ti薄膜增加薄膜和Au 电极之间黏附性，Ti 薄膜沉积厚度为20 nm。Au薄膜沉积厚度为130 nm。Ti和Au薄膜的沉积速率分别为0.15 和0.2 ×10－10s－1。待靶材冷却后取出样品。

将沉积过电极的样品放入丙酮中浸泡24 h，然后放入超声清洗机中超声振荡1 ～2 s 后取出到显微镜下观察是否光刻胶已完全剥落。反复几次超声清洗直到光刻胶完全剥落，最后在去离子水中清洗后用氮气吹干。最终得到器件的表面光学显微镜图像如图5（h）所示。

图5 电极制备流程

1.3 器件性能测试

不同MgO沉积温度下制备的器件的伏安特性如图6 所示，测试在室温和暗室下进行，电压测试范围为－5 ～5 V，步长0.05 V。由图可以看出，所有样品均表现出良好的非线性整流特性，300 ℃下制备的器件的开启电压约为3.2 V；400 和500 ℃下制备的样品开启电压均减小到2.5 V。此外，在400 ℃下制备的器件在＋2／－2 V 的电流比最高，器件性能最好。这可能是由于在低温下（300 ℃）制备的MgO 的结晶质量较差，而在高温下（500 ℃）生长会加剧MgO 与ZnO／ZnMgO多量子阱界面的互扩散效应，不易形成陡峭界面，并且高温下ZnO／ZnMgO 多量子阱结构也会遭到破坏。

图6 不同MgO沉积温度下制备的器件的伏安特性曲线

2 实验教学设计与拓展

金属-绝缘体-半导体（MIS）结构半导体器件制备与性能测试综合性实验适应于光电信息科学与工程专业、应用物理等专业学生在大三下学期开设的实践课程。实验教学过程分为材料合成、器件制备和性能测试三部分，每部分3 ～5 人一组进行分组实验。在完成本实验的基础训练后，还可以对材料合成、器件制备的部分进行拓展，如研究不同沉积条件、温度对材料性能的影响，ICP刻蚀功率、气体流量对刻蚀速率和刻蚀表面粗糙度的影响等，探究薄膜性能、刻蚀条件与器件性能的依赖关系，引导学生在实验过程中发现问题、分析问题和解决问题。在器件制备工艺过程中，使得学生了解大型仪器的基本原理和使用方法，掌握半导体器件的基本工艺过程。在实验完成后，要求每位学生能够正确处理和分析实验数据并撰写实验报告。

3 结 语

本文介绍的金属-绝缘体-半导体（MIS）器件制备是光电信息科学与工程、应用物理等专业前沿综合性实验。实验内容包含材料合成、器件制备和性能测试3 个环节。涉及MOCVD、磁控溅射、电子束蒸发等镀膜工艺，紫外曝光、掩模、ICP刻蚀等器件制备工艺，以及器件性能测试与分析等环节，使得学生了解大型仪器的基本原理和使用方法，掌握半导体器件的基本工艺过程。将本实验引入本科生实验教学是在新工科背景下适应工程教育的教学理念，引导学生在实验过程中发现问题、分析问题和解决问题，不仅能够激发学生的科研兴趣，还能全面提升学生的实践精神和创新能力。